常用传感器工作原理压电式课件.ppt

关于常用传感器工作原理压电式现在学习的是第1页，共41页23.6压电式传感器压电式传感器基于某些材料的压电效应，通过材料受力作用变形时，其表面会有电基于某些材料的压电效应，通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量荷产生而实现非电量测量-(有源传感器有源传感器)传感元件具有传感元件具有压电效应压电效应被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息压电元件压电元件压电元件压电元件压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的物物理理量量，如如：力力、压压力力、加速度、机械冲击和振动等。加速度、机械冲击和振动等。压电传感器具有压电传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻轻等优点。等优点。随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器在随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域得到广泛的应用。工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域得到广泛的应用。现在学习的是第2页，共41页31 1 压电效应压电效应正正压压电电效效应应（顺顺压压电电效效应应）：某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）：当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消消失的现象。失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应一般将具有压电效应的电介质称为一般将具有压电效应的电介质称为压电材料压电材料。具有压电效应的物质很多，如天然石英晶体，人工制造的压电陶瓷等。具有压电效应的物质很多，如天然石英晶体，人工制造的压电陶瓷等。现在学习的是第3页，共41页4石英晶体是应用最广的压电晶体，有石英晶体是应用最广的压电晶体，有天然石英天然石英和和人造石英人造石英。天然石英性能较人造石英。天然石英性能较人造石英更稳定，其介电常数和压电常数的稳定性好（在几百度范围内不变），机械强度高，更稳定，其介电常数和压电常数的稳定性好（在几百度范围内不变），机械强度高，绝缘性好，重复性好，线性范围宽。绝缘性好，重复性好，线性范围宽。ZXY(a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b)坐标系坐标系ZYX 光轴（光轴（无压电效应无压电效应）电轴（电轴（纵向纵向）机械轴（机械轴（横向横向）正压电效应最明显正压电效应最明显 逆压电效应最明显逆压电效应最明显石英晶体在温度低于石英晶体在温度低于573oC时，为时，为 -石英，属六角晶系；高于石英，属六角晶系；高于573oC时，时，为为 -石英，属三角晶系。实验证明，石英，属三角晶系。实验证明，-石英的压电效应很明显，石英的压电效应很明显，-石英石英的压电效应可忽略。的压电效应可忽略。-石英外形为六角形晶柱，两端是石英外形为六角形晶柱，两端是六棱锥形状，用三个互相垂直的轴六棱锥形状，用三个互相垂直的轴来表示。来表示。压电式传感器主要是利用纵向压电压电式传感器主要是利用纵向压电效应。效应。石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应现在学习的是第4页，共41页5石英晶体是如何产生压电效应的？石英晶体是如何产生压电效应的？这主要与其内部结构有关。这主要与其内部结构有关。石英晶体的分子式是石英晶体的分子式是 ，每个晶体单元含有三个硅离子和六个氧离子。将它们，每个晶体单元含有三个硅离子和六个氧离子。将它们在在Z平面投影，并等效为正六边形排列。平面投影，并等效为正六边形排列。(b)(a)XY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+-YX+现在学习的是第5页，共41页6如图，如图，A、B两个平面是在垂直两个平面是在垂直X轴方向两个平面上用真空镀膜法或沉银法得到的轴方向两个平面上用真空镀膜法或沉银法得到的电镀面。电镀面。+-YX+AB+-YX+ABFxFx+-YX+ABFxFx现在学习的是第6页，共41页7+(c)(d)FXFX(a)(b)XXFYFYXX+-YX+AB现在学习的是第7页，共41页8假假设设从从石石英英晶晶体体上上沿沿Y轴轴切切下下一一片片晶晶体体切切片片，如如下下图图，使使它它的的晶晶面面分分别别平平行行于于X、Y、Z轴轴，如图。并在垂直如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到当晶片受到沿沿X轴方向的应力轴方向的应力Fx作用时，晶片将在垂作用时，晶片将在垂直直X X轴方向的两个电极面积聚电荷，其大小为：轴方向的两个电极面积聚电荷，其大小为：ZYXha石英晶体切片b由此可知，由此可知，纵向压电效应与面积纵向压电效应与面积A1大小无关，大小无关，即与晶体的几何尺寸无关。即与晶体的几何尺寸无关。x轴方向受力的压电系数轴方向受力的压电系数现在学习的是第8页，共41页9若沿若沿Y轴方向施加压力轴方向施加压力Fy时时,则在则在A面上出现正面上出现正电荷，在电荷，在B面上出现等量的负电荷，即仍在与面上出现等量的负电荷，即仍在与电轴垂直的平面上产生电荷，其大小为：电轴垂直的平面上产生电荷，其大小为：此时产生的压电效应为横向压电效应，所以此时产生的压电效应为横向压电效应，所以横向压电效横向压电效应与晶体的几何尺寸有关。应与晶体的几何尺寸有关。沿沿z轴方向施加力时，由于硅、氧离子是对称平移，轴方向施加力时，由于硅、氧离子是对称平移，故在表面没有电荷呈现，没有压电效应。故在表面没有电荷呈现，没有压电效应。+-YX+ABZYXha石英晶体切片b的方向由所受力是压力还是拉力决定。的方向由所受力是压力还是拉力决定。现在学习的是第9页，共41页10压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体，它的压电机理与石英的压电机理不同，它具有类似铁磁材料压电陶瓷是人工制造的多晶体，它的压电机理与石英的压电机理不同，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，这些区域会自发极化，从而存在一定的磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，这些区域会自发极化，从而存在一定的电场。电场。在无外电场作用下，如图（在无外电场作用下，如图（a），各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为0。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 在外电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料极在外电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料极化。如图（化。如图（b）。）。极化后，当外电场去掉后，陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，如图（极化后，当外电场去掉后，陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，如图（c）现在学习的是第10页，共41页11通过上面的分析，在陶瓷片极化的两端出现通过上面的分析，在陶瓷片极化的两端出现束缚电荷束缚电荷，一端为正，一端为负。如下图。，一端为正，一端为负。如下图。由于由于束缚电荷束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上很快吸附了一层来自外界的的作用，在陶瓷片的电极面上很快吸附了一层来自外界的自由电荷自由电荷。这。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用。片内极化强度对外的作用。因此，陶瓷片对外不表现出极性。因此，陶瓷片对外不表现出极性。自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图现在学习的是第11页，共41页12在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F，如如图图，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩形形变变（图图中中虚虚线线），片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此，原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，有有一一部部分分被被释释放放，而而出出现现放放电电荷荷现现象象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状(这这是是一一个个膨膨胀胀过过程程)，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电充电现象。现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。应。极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F压电陶瓷的压电陶瓷的正压电效应正压电效应中，中，充放电多少，与外充放电多少，与外力的大小成正比力的大小成正比，即：，即：压电系数注意，刚刚极化后的压电陶瓷的特性是不稳定的，注意，刚刚极化后的压电陶瓷的特性是不稳定的，经过两三个月以后，压电常数才近似保持为一定常经过两三个月以后，压电常数才近似保持为一定常数，经过两年后，压电常数又会下降，因此做成的数，经过两年后，压电常数又会下降，因此做成的传感器要经常校准。传感器要经常校准。现在学习的是第12页，共41页13同同样样，若若在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，如如图图，由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。这这时时，陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大，就就是是说说，陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形形变变（图图中中虚虚线线）。同同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生缩缩短短形形变变。这这种种由由于于电电效效应应而而转转变变为为机机械械效效应应或或者者由由电能转变为机械能的现象，就是电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应逆压电效应。极化方向电场方向逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）现在学习的是第13页，共41页14陶瓷内的陶瓷内的极化电荷是束缚电荷极化电荷是束缚电荷，而，而不是自由电荷不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。放或补充的结果。压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。压电陶瓷的压电系数比石英的大得多，价格低廉，所以获得了广泛的应用。压电陶瓷的压电系数比石英的大得多，价格低廉，所以获得了广泛的应用。现在学习的是第14页，共41页152 2 压电材料压电材料种类种类：n 压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；n 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅（压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）等；）等；n 有机压电薄膜，如聚偏二氟乙烯（有机压电薄膜，如聚偏二氟乙烯（PVdF）等。）等。（一）（一）石英晶体石英晶体石英晶体是具有良好压电特性的压电晶体。其石英晶体是具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内几乎不随温度变化。在常温范围内几乎不随温度变化。石石英英晶晶体体的的突突出出优优点点是是性性能能非非常常稳稳定定，机机械械强强度度高高，绝绝缘缘性性能能也也相相当当好好。但但石石英英材材料料价价格格昂昂贵贵，且且压压电电系系数数比比压压电电陶陶瓷瓷低低得得多多。因因此此一一般般仅仅用用于于标标准准仪仪器器或或要要求较高的传感器中。求较高的传感器中。因因为为石石英英是是一一种种各各向向异异性性晶晶体体，因因此此，按按不不同同方方向向切切割割的的晶晶片片，其其物物理理性性质质（如如弹弹性性、压压电电效效应应、温温度度特特性性等等）相相差差很很大大。为为了了在在设设计计石石英英传传感感器器时时，根根据据不不同同使使用用要求正确地选择石英片的切型。要求正确地选择石英片的切型。现在学习的是第15页，共41页161.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷BaTiO3钛酸钡是由碳酸钡和二氧化钛按钛酸钡是由碳酸钡和二氧化钛按1：1克分子比例混合后充分研磨成形，经高温克分子比例混合后充分研磨成形，经高温13001400oC烧结，然后经人工极化处理得到的压电陶瓷。烧结，然后经人工极化处理得到的压电陶瓷。这种压电陶瓷具有这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的（约为石英晶体的50倍）。倍）。不足不足是居里温度低是居里温度低（120oC），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2.锆钛酸铅压电陶瓷（锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由 PbTiO3 和和 PbZrO3 组成的固溶体组成的固溶体 Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相。它与钛酸钡相比，比，压电系数更大，居里温度在压电系数更大，居里温度在300oC以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的还可以获得不同性能的PZT材料。材料。因此，因此，PZT系列压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最为广泛的压电材料。系列压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最为广泛的压电材料。（二）（二）压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷具有压电陶瓷具有很高的压电系数很高的压电系数，因此在压电式传感器中应用十分广泛。，因此在压电式传感器中应用十分广泛。现在学习的是第16页，共41页17聚聚二二氟氟乙乙烯烯（PVF2）是是目目前前发发现现的的压压电电效效应应较较强强的的聚聚合合物物薄薄膜膜，这这种种合合成成高高分分子子薄薄膜膜就就其其对对称称性性来来看看，不不存存在在压压电电效效应应，但但是是它它们们具具有有“平平面面锯锯齿齿”结结构构，存存在在抵抵消消不不了了的的偶偶极极子子。经经延延展展和和拉拉伸伸后后可可以以使使分分子子链链轴轴成成规规则则排排列列，并并在在与与分分子子轴轴垂垂直直方方向向上上产产生生自自发发极极化化偶偶极极子子。当当在在膜膜厚厚方方向向加加直直流流高高压压电电场场极极化化后后，就就可可以以成成为为具具有有压压电电性性能能的的高高分分子子薄薄膜膜。这这种种薄薄膜膜有有可可挠挠性性，并并容容易易制制成成大大面面积积压压电电元元件件。这这种种元元件件耐耐冲冲击击、不不易易破破碎碎、稳稳定定性性好好、频频带带宽宽。为为提提高高其其压压电电性性能能还还可可以以掺掺入入压压电电陶陶瓷瓷粉粉末末，制制成成混混合合复复合合材材料料(PVF2PZT)。（三）（三）有机压电薄膜有机压电薄膜现在学习的是第17页，共41页183 3 压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路当当压压电电传传感感器器中中的的压压电电晶晶体体受受到到外外力力作作用用时时，在在两两个个极极面面上上积积聚聚数数量量相相等等、极极性性相反的电荷形成了电场。相反的电荷形成了电场。因因此此，可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个视视为为两两极极板板上上聚聚集集异异性性电电荷荷，中中间间为为绝绝缘缘体体的的电电容器容器。其电容量为。其电容量为 qq电极压电晶体C(b)(a)压电传感器的等效原理现在学习的是第18页，共41页19由由于于压压电电晶晶片片上上有有外外力力作作用用时时，晶晶片片两两表表面面上上产产生生电电荷荷；当当外外力力消消失失后后，电电荷荷也也随随之之消消失失，因因此此压压电电传传感感器器可可以以等等效效为为一一个个一一个个电电荷荷源源q q 和和一一个个电电容容器器C Ca a的的并并联联电电路，如图路，如图(b b)也可等效为也可等效为电压源电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ca的的串联串联电路，如图电路，如图(a)当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为qCaUaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路现在学习的是第19页，共41页20qCaUaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路上述等效电路是在理想条件下得到的，也就是上述等效电路是在理想条件下得到的，也就是在传感器内部无漏电，外电路的阻抗是在传感器内部无漏电，外电路的阻抗是无穷大时才成立无穷大时才成立。对对于于压压电电式式传传感感器器，如如果果负负载载不不是是无无穷穷大大，电电路路会会按按指指数数规规律律放放电电，极极板板上上的的电电荷荷无无法法保保持持不不变变，从从而而造造成成测测量量误误差差。因因此此，利利用用压压电电式式传传感感器器测测量量静静态态或或准准静静态态量量时时，必必须须采采用用极极高高阻阻抗抗的的负负载载。在在动动态态测测量量时时，变变化化快快，漏漏电电量量相相对对较较小小，故故压压电电式式传传感感器器适适宜宜做做动动态态测测量量。现在学习的是第20页，共41页21实际使用中，压电传感器往往采用两个或两个以上的晶片进行串接或并接。实际使用中，压电传感器往往采用两个或两个以上的晶片进行串接或并接。图图(a)为并联形式，有：为并联形式，有：图图(b)为串联形式，有为串联形式，有并联接法并联接法，电容量大，输出电荷大，电容量大，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并适用于以电荷作为输出量的场合。并适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法，串联接法，输出电压大，本身电输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号容小，适用于以电压作为输出信号和测量电路输入阻抗很高的场合。和测量电路输入阻抗很高的场合。实实际际使使用用中中，一一般般使使压压电电晶晶片片有有一一定定的的预预应应力力，当当然然预预应应力力也也不不能能太太大大，否否则则将影响压电式传感器的工作灵敏度。将影响压电式传感器的工作灵敏度。现在学习的是第21页，共41页22实际使用中，压电传感器通过电缆与测量电路相连接，因此实际使用中，压电传感器通过电缆与测量电路相连接，因此等效电路应考虑电缆的等效电路应考虑电缆的连接电容、后接电路（前置放大器）的输入电阻和输入电容以及压电传感器绝缘电阻连接电容、后接电路（前置放大器）的输入电阻和输入电容以及压电传感器绝缘电阻。完整的等效电路如下：完整的等效电路如下：Ca传感器的固有电容Ra传感器的绝缘电阻Cc 电缆电容Ri 前置放大器输入电阻Ci 前置放大器输入电容CaRaCcRiCiq压电传感器的压电传感器的完整等效电路完整等效电路CaRaCcRiCiUa现在学习的是第22页，共41页23为保证传感器和测试系统具有一定的低频（或准静态）响应为保证传感器和测试系统具有一定的低频（或准静态）响应，就，就要求压电传感要求压电传感器的绝缘电阻器的绝缘电阻R Ra a应保持在应保持在 以上以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。精度的要求。与之相适应的，与之相适应的，测试系统则应具有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相测试系统则应具有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗当高的输入阻抗R R i i ，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，产生测量误差。，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，产生测量误差。现在学习的是第23页，共41页24由于压电元件产生的电量很小，所以为了测量必须由于压电元件产生的电量很小，所以为了测量必须加一放大器加一放大器；另外，由于其自身的；另外，由于其自身的绝缘电阻很高，要求测量电路的前级输入端有足够高阻抗，所以绝缘电阻很高，要求测量电路的前级输入端有足够高阻抗，所以前置放大器前置放大器输入阻抗要高输入阻抗要高，以免电荷快速泄漏。，以免电荷快速泄漏。压电传感器的压电传感器的前置放大器前置放大器主要有两个作用：主要有两个作用：u 放大传感器的输出信号；放大传感器的输出信号；u 把传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出（阻抗变换器）。把传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出（阻抗变换器）。前置放大器有两种形式：前置放大器有两种形式：u 电压放大器（输出电压与输入电压成正比）电压放大器（输出电压与输入电压成正比）u 电荷放大器（输出电压和输入电荷成正比）电荷放大器（输出电压和输入电荷成正比）压电传感器组成的简单测试系统如下：压电传感器组成的简单测试系统如下：压电式压电式传感器传感器前置前置放大器放大器测量仪器测量仪器4 4 测量电路测量电路现在学习的是第24页，共41页251、电压放大器、电压放大器由于等效电路中由于等效电路中Ra、Ri再大，也会漏电，因此压电式传感电路只能准确测量随时再大，也会漏电，因此压电式传感电路只能准确测量随时间变化的力。设该力为：间变化的力。设该力为：则元件上产生的电压值为：则元件上产生的电压值为：等效电阻等效电阻 和等效电容和等效电容 为：为：+CaRaRiCiCcUSCUa-R2R1+CaRCUSCUa-R2R1现在学习的是第25页，共41页26放大器输入端的电压为（复数形式）：放大器输入端的电压为（复数形式）：放大器输入端的电压的幅值为：放大器输入端的电压的幅值为：+CaRCUSCUa-R2R1Ui输入电压与作用力之间的相位差为：输入电压与作用力之间的相位差为：现在学习的是第26页，共41页27在理想情况下，压电传感器的绝缘电阻在理想情况下，压电传感器的绝缘电阻Ra和前置放大器的输入电阻和前置放大器的输入电阻Ri均为无穷大，此时均为无穷大，此时 也趋于无穷大也趋于无穷大由于输出电压与由于输出电压与 有关，其中电缆电容有关，其中电缆电容 的变化对整个测量系统影响很大，的变化对整个测量系统影响很大，整个测量系统对整个测量系统对 的变化非常敏感。的变化非常敏感。连线电缆的长度和形态发生变化，都将导致传感器输出电压的变化，使传感器的灵连线电缆的长度和形态发生变化，都将导致传感器输出电压的变化，使传感器的灵敏度也发生变化，敏度也发生变化，这是使用电压放大器的最大缺点这是使用电压放大器的最大缺点。现在学习的是第27页，共41页28+CaRCUSCUa-R2R1Ui设放大器增益为设放大器增益为K则放大器转换灵敏度为则放大器转换灵敏度为为了扩展传感器的工作频带的低频端需要增大为了扩展传感器的工作频带的低频端需要增大R或增大或增大C因为增大电容值会减小系统的灵敏度，所以一般采取增大因为增大电容值会减小系统的灵敏度，所以一般采取增大R方法，故配置方法，故配置Ri很大很大的前置放大器，此时传感器能有较好的低频响应特性。的前置放大器，此时传感器能有较好的低频响应特性。现在学习的是第28页，共41页292、电荷放大器、电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器，它实际上是一个电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器，它实际上是一个利用电容利用电容作为反馈元件的深度负反馈的高增益运放作为反馈元件的深度负反馈的高增益运放。它可以。它可以解决电缆电容变化对传感器灵解决电缆电容变化对传感器灵敏度的影响。敏度的影响。电荷放大器原理电路图CaCcCi-AUiUyCFq现在学习的是第29页，共41页30如果放大器增益足够大，则如果放大器增益足够大，则上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆对地电容无关。且与电缆对地电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆的长度变化，其灵敏度也无明显变化，对其输出因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆的长度变化，其灵敏度也无明显变化，对其输出无明显影响，无明显影响，这是电荷放大器的最突出的优点这是电荷放大器的最突出的优点。但与电压放大器比较，其电路复杂，。但与电压放大器比较，其电路复杂，价格昂贵。价格昂贵。目前，电荷放大器的应用日益增多。目前，电荷放大器的应用日益增多。现在学习的是第30页，共41页31（1）压电元件的串并联）压电元件的串并联5 5 压电式力传感器的合理使用压电式力传感器的合理使用（2）压电片预应力）压电片预应力压电片在压电传感器中，必须有一定的预应力。压电片在压电传感器中，必须有一定的预应力。（3）压电力传感器的安装）压电力传感器的安装压电式力传感器安装时应保证传感器的敏感轴与受力方向一致。安装传感器的上、压电式力传感器安装时应保证传感器的敏感轴与受力方向一致。安装传感器的上、下接触面要经过精细加工，以保证平行度和平面度。下接触面要经过精细加工，以保证平行度和平面度。当接触表面粗糙时，对环形压电力传感器，可以加装应力分布环，对并联传当接触表面粗糙时，对环形压电力传感器，可以加装应力分布环，对并联传感器可加装应力分布块。在接触面不平行时，可加装球形环，应力环、块的弹性感器可加装应力分布块。在接触面不平行时，可加装球形环，应力环、块的弹性模量均不得低于传感器外壳金属材料的弹性模量。模量均不得低于传感器外壳金属材料的弹性模量。为牢固地安装传感器，环形传感器可在中心孔加紧固螺栓。总之，装卡牢固是非为牢固地安装传感器，环形传感器可在中心孔加紧固螺栓。总之，装卡牢固是非常重要的，否则不仅会降低传感器的频响，还将影响测试的结果常重要的，否则不仅会降低传感器的频响，还将影响测试的结果。现在学习的是第31页，共41页32（4）合理选择传感器的量程和频率响应）合理选择传感器的量程和频率响应应根据所测力的极限来选择压电力传感器的量程和频响，不要使传感器所应根据所测力的极限来选择压电力传感器的量程和频响，不要使传感器所测负荷超过额定量程。传感器的工作频带要能够覆盖待测力的频带。测负荷超过额定量程。传感器的工作频带要能够覆盖待测力的频带。（5）合理选用二次仪表）合理选用二次仪表测量低频力信号时，因测试系统的频率下限将主要取决于传感器的电荷放大器的时测量低频力信号时，因测试系统的频率下限将主要取决于传感器的电荷放大器的时间常数，因此，测准静态力信号一般要求电荷放大器输入阻抗高于间常数，因此，测准静态力信号一般要求电荷放大器输入阻抗高于1012，低频响应为，低频响应为0.001Hz显示仪表采用直流数字电压表。显示仪表采用直流数字电压表。测量中、高频力信号时，同样对于后接器件，仪表有所要求。但一般情况测量中、高频力信号时，同样对于后接器件，仪表有所要求。但一般情况下，压电力传感器和电荷放大器对中、高频的响应较好，后接显示仪表可用峰下，压电力传感器和电荷放大器对中、高频的响应较好，后接显示仪表可用峰值电压表、瞬态记录仪、记忆示波器等。值电压表、瞬态记录仪、记忆示波器等。（6）合理选择安装连接电缆）合理选择安装连接电缆压电力传感器与电荷放大器、电荷放大器与显示记录仪表的连接大多数情况下均采用低压电力传感器与电荷放大器、电荷放大器与显示记录仪表的连接大多数情况下均采用低噪声电缆。在组成测试系统时，要注意将电缆固定，避免因晃动而产生电缆噪声给测试噪声电缆。在组成测试系统时，要注意将电缆固定，避免因晃动而产生电缆噪声给测试系统带来误差。同时，要注意电缆插头及插座的清洁，以保证测试系统的绝缘电阻。系统带来误差。同时，要注意电缆插头及插座的清洁，以保证测试系统的绝缘电阻。（7）选择纵、横向压电效应）选择纵、横向压电效应在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的压电材料在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的压电材料大多做成圆片式，有利于使用其横向压电效应的。大多做成圆片式，有利于使用其横向压电效应的。现在学习的是第32页，共41页336 6 压电式传感器的应用压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（三）压电式流量计压电式传感器常用来测量力、压力、振动的加速度，也可用于声学（包括超压电式传感器常用来测量力、压力、振动的加速度，也可用于声学（包括超声）和声发射等的测量。声）和声发射等的测量。现在学习的是第33页，共41页34（一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器压电陶瓷压电陶瓷4和质量块和质量块2为环型，通过螺母为环型，通过螺母3对质量块对质量块2预先加载，使之压紧在压电陶瓷上，测量时预先加载，使之压紧在压电陶瓷上，测量时传感器基座传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起，输与被测对象牢牢地紧固在一起，输出信号由电极出信号由电极1引出。引出。当传感器受到振动时，质量块将感受与传感器基当传感器受到振动时，质量块将感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力：力：该惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为：该惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为：说明电荷量将直接反映加速度的大小。它的灵敏度与压电材料的压电系数和质量块的质说明电荷量将直接反映加速度的大小。它的灵敏度与压电材料的压电系数和质量块的质量有关。量有关。为了提高灵敏度为了提高灵敏度，采用压电系数大的压电陶瓷片。也可以增加压电片的数目和采用合，采用压电系数大的压电陶瓷片。也可以增加压电片的数目和采用合理的连接方法来提高传感器的灵敏度。理的连接方法来提高传感器的灵敏度。结构原理结构原理:现在学习的是第34页，共41页35（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器引线引线壳体壳体基座基座压电晶片压电晶片受压膜片受压膜片导电片导电片当膜片受到压力后，在压电晶片上产生电荷。当膜片受到压力后，在压电晶片上产生电荷。现在学习的是第35页，共41页36（三）压电式流量计（三）压电式流量计利用超声波在利用超声波在顺流顺流和和逆流逆流方向的传播速度不同来方向的传播速度不同来进行测量。进行测量。在管外设置两个相隔一定距离的在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超收发两用压电超声换能器声换能器，产生超声波和接收超声波的换能器都，产生超声波和接收超声波的换能器都是利用压电元件构成的，压电元件几乎全采用锆是利用压电元件构成的，压电元件几乎全采用锆钛酸铅（钛酸铅（PZT）压电陶瓷。）压电陶瓷。每隔一定时间发射和接收互换一次，在顺流和逆流的情况下，每隔一定时间发射和接收互换一次，在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比发射和接收的相位差与流速成正比，利，利用这个关系，可精确测定流速。流速与管道截面积的乘积等于流量。用这个关系，可精确测定流速。流速与管道截面积的乘积等于流量。发射超声波利用逆压电效应发射超声波利用逆压电效应，即在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动而，即在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动而产生超声波。当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时产生共振，这时产生的超声波产生超声波。当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率时产生共振，这时产生的超声波最强。最强。接收超声波利用正压电效应接收超声波利用正压电效应，当超声波作用到压电晶片上时，使晶片伸缩，在晶片的两个界面上产生交，当超声波作用到压电晶片上时，使晶片伸缩，在晶片的两个界面上产生交变电荷这种电荷被转换成电压经放大后送到测量电路。变电荷这种电荷被转换成电压经放大后送到测量电路。现在学习的是第36页，共41页37 （四）用压电式传感器测表面粗糙度（四）用压电式传感器测表面粗糙度 现在学习的是第37页，共41页38 （5）压电引信）压电引信(引爆引爆)压电引信结构图如图(a)所示，早期的40火箭筒原理如图(b)所示，平时电路开路，当火箭筒撞击时，内外电极相撞引爆。改进的压电引信原理见图(c)所示，当火箭筒撞击时，压电晶体产生电荷，使电发火管打火，从而引爆。现在学习的是第38页，共41页39 （6）煤气灶电子点火装置）煤气灶电子点火装置 图所示为煤气灶电子点火装置，它是让高压跳火来点燃煤气。当使用者将开关往里压时，把气阀打开；将开关旋转，则使弹簧往左压。此时，弹簧有一很大的力撞击压电晶体，则产生高压放电导致燃烧盘点火。现在学习的是第39页，共41页40习习 题题2.2.压压电电元元件件在在使使用用时时常常采采用用多多片片串串接接或或并并接接的的结结构构形形式式。试试述述在在不不同同接接法法下下输输出出电电压压、电电荷荷、电电容容之之间间关关系系，它它们们分分别别适适用用于于何何种种应应用用场合。场合。1.1.何谓压电效应？标出下图石英晶体压电片上电荷的极性。何谓压电效应？标出下图石英晶体压电片上电荷的极性。FXFX(a)(b)XX(c)(d)FYFYXX现在学习的是第40页，共41页感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第41页，共41页